Générateur thermoélectrique à radioisotope

Un générateur thermoélectrique à radioisotope (GTR ; en anglais RTG : Radioisotope thermoelectric generator) est un générateur électrique nucléaire de conception simple, produisant de l'énergie électrique à partir de chaleur émise par désintégration radioactive.

De tels systèmes utilisent des matériaux radioactifs (comme le plutonium 238) qui, par rayonnement dans des matériaux non radioactifs, génèrent de la chaleur. La chaleur est alors convertie en électricité par des modules thermoélectriques, en utilisant l'effet thermoélectrique. Les radioisotopes les plus performants pour ce type d'applications sont ceux qui émettent toute leur énergie de désintégration sous forme de particules α, ces dernières étant les plus facilement absorbées par des matériaux denses — leur énergie cinétique est alors convertie en chaleur — tandis que les électrons (particules β) sont moins efficaces et les rayons γ n'interagissent pas suffisamment avec les matériaux pour que leur énergie soit efficacement convertie en chaleur.

La principale application des générateurs à radioisotope est l'alimentation des sondes spatiales, ainsi que des équipements d'accès difficile ou impossible requérant une source d'énergie fiable sur une longue période de temps. On a ainsi conçu des générateurs miniatures pour stimulateurs cardiaques à base de plutonium 238, aujourd'hui remplacés par des technologies plus « vertes » reposant sur des batteries lithium-ion, et de tels générateurs de conception plus simple à base de strontium 90 ont été utilisés par le passé pour l'éclairage de certains phares isolés sur les côtes de l'URSS.

Les générateurs à radioisotope sont fondamentalement différents des générateurs bêtavoltaïques annoncés récemment, qui représenteraient une technologie alternative, encore largement exploratoire, aux mêmes types d'applications, mais reposant sur l'émission d'électrons par désintégration β du tritium générant une force électromotrice au sein d'un matériau semiconducteur tel que le carbure de silicium SiC.

En comparaison d'autres équipements nucléaires, le principe de fonctionnement d'un générateur à radioisotope est simple. Il est constitué d'un conteneur blindé rempli de matière radioactive, percé de trous où sont disposés des thermocouples, l'autre extrémité des thermocouples étant reliée à un radiateur. Les calories traversant les thermocouples sont transformées en électricité. Un module thermoélectrique est un dispositif constitué de deux sortes de métaux conducteurs, qui sont connectés en boucle fermée. Si les deux jonctions sont à des températures différentes, un courant électrique est généré dans la boucle.

Le radioisotope retenu doit avoir une demi-vie assez courte, afin de pouvoir produire suffisamment d'énergie. On choisit des demi-vies de l'ordre de quelques dizaines d'années. Il s'agit le plus souvent de plutonium 238, sous forme de dioxyde de plutonium PuO₂, un puissant émetteur α dont la période radioactive est de 87,74 ans (32 046 jours). Le premier radioisotope utilisé a été le polonium 210 en raison de sa période plus courte (seulement 138,38 jours) et donc de sa très grande puissance de rayonnement, tandis que l'américium 241 offre une alternative moins puissante mais cinq fois plus pérenne en raison de sa période de 432,2 années (environ 157 850 jours) :

Les isotopes Cm et Cm ont également été proposés sous forme Cm₂O₃ en raison de leurs propriétés particulières :

• Le curium 242 donne du plutonium 238 par désintégration α avec une période radioactive de 162,79 jours, ce qui en fait potentiellement un radioisotope à « double détente » puisque son produit de désintégration est à son tour utilisable comme source d'énergie pour générateur à radioisotope.
• Le curium 244 donne du plutonium 240 par désintégration α avec une période de 18,10 ans.

Avec une puissance spécifique respectivement de 98 kW/kg pour le Cm₂O₃ et de 2,27 kW/kg pour le Cm₂O₃, ces céramiques présentent néanmoins l'inconvénient d'émettre un flux important de neutrons en raison d'un taux de fission spontanée respectivement de 6,2 × 10 et 1,4 × 10 par désintégration α, ce qui nécessite un blindage plusieurs dizaines de fois plus lourd qu'avec le PuO₂.

Les thermocouples utilisés pour convertir en électricité le gradient de température généré par la désintégration des radioisotopes sont particulièrement peu efficaces : entre 3 et 7 % seulement, n'atteignant jamais 10 %. Ces thermocouples sont constitués d'alliages de silicium et de germanium, de tellurure de plomb et de tellurures d'antimoine, de germanium et d'argent (appelés TAGS). Des technologies plus novatrices reposant sur les convertisseurs thermioniques permettraient d'atteindre une efficacité énergétique comprise entre 10 et 20 %, tandis que des expériences recourant à des cellules thermophotovoltaïques, disposées à l'extérieur du générateur à radioisotope classique équipé de thermocouples, pourraient théoriquement permettre d'atteindre des rendements proches de 30 %.

Les générateurs Stirling à radioisotopes (GSR, ou SRG en anglais), utilisant un moteur Stirling pour générer le courant électrique, permettraient d'atteindre une efficacité de 23 %, voire davantage en amplifiant le gradient thermique. Le principal inconvénient de ce dispositif est cependant d'avoir des pièces mécaniques en mouvement, ce qui implique de devoir gérer l'usure et les vibrations de ce système. Dans la mesure où cette technologie permettrait néanmoins de multiplier par quatre le rendement des GTR actuels, elle fait actuellement l'objet de recherches significatives menées conjointement par le DOE et la NASA en vue de développer un générateur Stirling à radioisotope avancé (ASRG) qui pourrait être utilisé par la sonde TiME (proposée pour amerrir sur Titan en 2022), actuellement en phase d'évaluation par la NASA pour la mission TSSM dans le cadre de son programme Discovery.

La puissance reçue du soleil décroît rapidement — selon une loi en 1/r — à mesure qu'on s'éloigne du centre du système solaire, ce qui rend très insuffisants les panneaux solaires sur les sondes spatiales destinées à explorer les planètes lointaines : ces sondes sont donc équipées de générateurs à radioisotope afin de prendre le relai des panneaux solaires au-delà de l'orbite de Mars, comme par exemple les sondes Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini, ou encore New Horizons. Ces générateurs permettent également aux robots déposés en surface des planètes de fonctionner la nuit, lorsque les panneaux solaires sont dans l'obscurité : les six Apollo Lunar Surface Experiments Packages déposés sur la Lune utilisent des GTR, tout comme les deux sondes martiennes Viking 1 et 2.

Un générateur thermoélectrique à radioisotope est particulièrement bien adapté à la production d'une alimentation électrique stable, sur une longue durée, et pour maintenir opérationnels pendant plusieurs années les instruments embarqués dans les sondes interplanétaires. Ainsi, le générateur embarqué sur la sonde New Horizons est capable de fournir une alimentation électrique stable de 200 Watts sur plus de 50 ans. Au bout de deux siècles, la puissance tombe à 100 Watts. Cependant, en raison du plutonium présent dans un GTR spatial, tout échec au décollage des lanceurs utilisés pour propulser la sonde présente un risque environnemental.

Les générateurs à isotope ont été principalement conçus pour l'exploration spatiale, mais l'Union soviétique les a utilisés pour alimenter des phares isolés à l'aide de générateurs au strontium 90. Ce dernier est sensiblement moins cher que les autres radioisotopes traditionnels, mais émet presque exclusivement des radiations β, à l'origine d'un fort rayonnement X par Bremsstrahlung. Cela ne posait pas de problème majeur compte tenu du fait que ces installations étaient destinées aux endroits isolés et peu accessibles, où elles fournissaient une source d'énergie très fiable, mais présentait tout de même des risques potentiels en cas d'incident ou de dégradation de ces matériels sans surveillance rapprochée. Du millier de générateurs de ce type, plus aucun n'est aujourd'hui en état de fonctionner à une puissance acceptable suite à l'épuisement du radioisotope. Le strontium 90 a une période radioactive de 28,8 ans (ce qui signifie que la moitié du Sr subsiste après 28,8 ans, le quart après 57,6 ans...), en se désintégrant par désintégration β pour donner de l'yttrium 90, qui se désintègre à son tour par émission β avec une demie-vie de 64 heures pour finalement donner du zirconium 90 qui, lui, est stable.

Les générateurs à isotope ne fonctionnent pas comme les centrales nucléaires.

Les centrales nucléaires créent l'énergie à partir d'une réaction en chaîne dans laquelle la fission nucléaire d'un atome libère des neutrons, qui à leur tour entraînent la fission d'autres atomes. Cette réaction, si elle n'est pas contrôlée, peut rapidement croître de façon exponentielle et causer de graves accidents, notamment par la fonte du réacteur.

À l'intérieur d'un générateur à isotope, on utilise seulement le rayonnement « naturel » du matériau radioactif, c'est-à-dire sans réaction en chaîne, ce qui exclut a priori tout scénario catastrophe. Le carburant est de fait consommé de façon lente, cela produit moins d'énergie mais cette production se fait sur une longue période.

Même si le risque de catastrophe majeure est quasi nul, on n'est cependant pas à l'abri d'une contamination radioactive : si le lancement d'une sonde spatiale échoue à basse altitude, il y a un risque de contamination localisée, tout comme dans la haute atmosphère, une désintégration de la sonde pourrait engendrer une dissémination de particules radioactives. On dénombre plusieurs accidents de ce type, dont trois (le satellite américain Transit 5BN-3 et 2 sondes russes dont la mission Cosmos 305) ayant conduit à la libération de particules radioactives dans l'atmosphère. Dans les autres cas, aucune contamination n'a pu être détectée, et certains générateurs à isotopes ont été récupérés intacts, ayant résisté à la retombée dans l'atmosphère.